Trabalho e Energia numa Mola
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Um sistema constituído por um corpo e pela terra
ou outro astro pode armazenar energia potencial
gravitacional.
Energia ci...
Em Física, podemos definir o trabalho
representado pela letra W como sendo "a medida
da energia gasta ou transferida em um...
Procedimento Experimental
Material utilizado
Para a realização do experimento foi necessário
os seguintes materiais:
A. Tripé
B. Sapatas niveladoras...
Tomando os valores adquiridos no procedimento
(2) então temos:
Constante K da mola = 20 [N]
Nível de referência X0 = 0,45 ...
energia cinética, pois a energia potencial elástica
foi totalmente consumida.
Quando a massa atinge o ponto mais alto
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Conclusão
Concluímos que a constanteelástica de uma
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  1. 1. Trabalho e Energia numa Mola Engenharia Civil 1 N-E NGER120_003 - Física Experimental I Edilson Gonzaga Pereira RA. 1305857-2 Eldon Nery de Avelar RA. 1301531-2 Elton Nery de Avelar RA. 1301541-2 FernandoFreitas Azevedo RA.1301549-2 Márcio Fernando Vieiro RA.1304015-2 Resumo:Dando continuidade a Lei de Hooke deduzida e enunciada no experimento anterior “Força Elástica – comprovação experimental da lei de Hooke”. O experimento consiste no cálculo e análise do trabalho e da troca de energia que ocorre quando uma mola é distendia e posta a oscilar. Onde essaenergia é denominada energia Mecânica que é a soma da energia potencial e cinética. O experimento ocorreu no laboratório de química no dia 06 de Setembro de 2013, supervisionado pelo professor de Física André Paixão, onde ele nos mostrou de forma simples e objetiva as etapas daexperiência. O grupo efetuou medições e discutiu resultados. Palavras – chaves:trabalho,energia cinética, energia potencial. Introdução teórica Energia A energia esta relacionada à capacidade de produzir movimento. No SI, sua unidade de medida é joule [J], em homenagem a James Prescott Joule (1818 -1889), físico inglês que realizou estudos na área de transformação e energia. Um dos princípios básicos da física é a lei da conservação da energiaque diz: “A energia pode ser transformada ou transferida, mas nunca criada ou destruída”. A energia de modo geral se refere à configuração (parte potencial) e à movimentação (parte cinética) de qualquer sistema, tanto do ponto de vista macroscópico, quanto microscópico. Esta configuração e movimentação serão alteradas durante as mudanças. Assim, as transferências ou transformações promovidas pelas interações (forças) podem ser analisadas observando-se as modificações ocorridas na energia (configuração e/ou movimentação) dos sistemas. Sabemos que para a transferência de energia será necessária “alguma coisa”, seja esta coisa uma onda, uma partícula ou um sistema de partículas, e que esta transferência será denominada de trabalho - se envolver interações macroscópicas - ou de calor - se envolver interações microscópicas (incluindo aqui a radiação eletromagnética como uma forma de calor). Não é difícil de observar, em nosso cotidiano, transformações de uma forma de energia em outra, como: No automóvel a energia química armazenada no combustível é transformada e energia de movimento, também chamada de energia cinética. Em uma usina hidrelétrica, a energia mecânica da queda da água é transformada em energia elétrica: esta, quando é transportada até residências, indústrias, etc., sofre alterações que podem transformá-la em outra vez em energia mecânica ou em energia luminosa, sonora, térmica, etc. Energia Mecânica A energia mecânica [Emec] é a soma de dois tipos de energia: Potencial e Cinética. Energia Potencial [Ep]. Aquela que se encontra armazenada num determinado sistema e que pode ser utilizada a qualquer momento para a realização de uma tarefa. Existem dois tipos de energia potencial na Mecânica: elástica e gravitacional. Toda vez que um sistema é constituído por um corpo associado a uma mola ou outro corpo elástico, sua energia potencial é denominada elástica. Unicesumar – Centro Universitário Cesumar
  2. 2. Um sistema constituído por um corpo e pela terra ou outro astro pode armazenar energia potencial gravitacional. Energia cinética [Ec]. Aquela que se manifesta nos corpos em movimento. Ela pode ser calculada pela relação: Ec = ½ * m*v² Onde: EC=Energia cinética – dada em joule [J]. M = massa do corpo – dado em quilograma [Kg]. V=velocidade do corpo – dado em metros por segundos [M/s]. Quando um corpo está em queda livre, verificamos que, durante o movimento, a energia potencial vai se transformando em energia cinética, nesse caso, dizemos que o sistema possui energia potencial e cinética. Resumindo: Emec = Ep + Ec Energia Potencial Gravitacional É definida como energia potencial gravitacional a forma de energia associada à posição em relação a um referencial, sendo que neste caso, há a interação gravitacional entre a Terra e um determinado corpo. Uma energia potencial ou energia armazenada por um corpo pode ser traduzida como a capacidade que este corpo detém de realizar trabalho.Trata-se de uma energia associada ao estado de separação entre dois objetos que se atraem mutuamente através da força gravitacional. Dessa forma, quando elevamos um corpo de massa m a certa altura h, transferimos energia para o corpo na forma de trabalho. Com a acumulação de energia, o corpo transforma a energia potencial em energia cinética, que quando liberado o corpo, possui tendência a voltar à sua posição inicial. Todo corpo em queda livre está sujeito a uma mesma aceleração de direção vertical e sentido para baixo. Esta aceleração recebe o nome de aceleração gravitacional (g) que tem um valor aproximado de 9,8 m/s2 na Terra. A força resultante neste movimento é a força peso (P=m.g) e o trabalho desta força é igual a energia potencial gravitacional. Logo, quando um corpo é liberado, a força peso realiza trabalho e a energia potencial gravitacional se transforma emenergia cinética. A energia potencial gravitacional de um corpo que se encontra a uma altura h do solo é dada por: Epg = m*g*h Onde: Epg = energia potencial gravitacional – dada em joule [J]. M= massa do corpo - dada em quilograma [Kg] g = gravidade – dada emmetro por segundo ao quadrado [M/s²] h=altura do corpo – dado em metros [M]. Caso seja aplicada uma força contra o peso para que determinado corpo suba, ele então recebe uma energia potencial maior. O acréscimo desta energia será igual ao trabalho aplicado em direção ao corpo, o que permite concluir que o trabalho realizado sobre o corpo é igual a variação da energia potencial sofrida pelo corpo. Do mesmo modo, a aplicação de um trabalho negativo sob o mesmo corpo significa o aumento da energia potencial. Energia Potencial Elástica Assim como a energia cinética, é associada ao conceito de movimento e à energia potencial gravitacional ao conceito de altura de uma partícula em relação a um determinado plano de referência. A energia associada à deformação de um corpo recebe o nome de energia potencial elástica. Se considerarmos que uma mola apresenta comportamento ideal, toda energia que ela recebe para se deformar a mola é necessária à realização de um trabalho que é igual à energia potencial elástica. Podemos escrever que a energia potencial acumulada nessa mola como: Epe=k*x²/2 Onde: Epe=Energia Potencial Elástica dada em Joule [J]. k= representa a constante elástica da mola dada em Newton por metro[N/M]. x = deformação da mola dada em metro [M]. Trabalho da força Elástica
  3. 3. Em Física, podemos definir o trabalho representado pela letra W como sendo "a medida da energia gasta ou transferida em um fenômeno físico provocado pela aplicação de uma força qualquer". O trabalho é diretamente proporcional à força aplicada e ao deslocamento x, sendosua definição matemática: W = F * x Supondo o corpo em movimento, uma força pode ser aplicada de modo a favorecer o deslocamento (no mesmo sentido) ou de modo a desfavorecê-lo (no sentido oposto). Decorrente disso, classificamos o trabalho em motor (força aplicada no sentido do deslocamento) e resistente (força aplicada no sentido oposto ao deslocamento). Matematicamente temos que: W = F * x trabalho motor W = -F * x trabalho resistente Como a unidade de força é o Newton (N) e o deslocamento é metro (m), dimensionalmente que a unidade de trabalho é [N/m], mas essa unidade recebe um nome especial: Joule, representado por [J]. A definição matemática vista acima é utilizada para uma força constante e paralela ao deslocamento. Caso a força seja constante, mas não seja paralela ao deslocamento, devemos calcularsuas componentes horizontal (eixo x) e vertical (eixo y), e utilizar no cálculo aquela que provoca o movimento, pois só há trabalho se houver variação de posição. Utilizando as relações trigonométricas, é facilmente dedutível que o trabalho de uma força não paralela ao deslocamento é dado por: O trabalho é matematicamente definido como sendo o produto entre a força e o deslocamento do corpo. Aplicando essa definição para duas forças em particular: o peso e a força elástica. Como o peso é calculado através do produto entre a massa do corpo e a aceleração da gravidade, é facilmente dedutível que a definição matemática para o trabalho do peso é: W = ±P*h Ou W = ±m*g*h Os sinais, positivo e negativo servem para indicar se o trabalho é motor (+) ou resistente (-). Caso o corpo esteja caindo, o trabalho será motor, pois a força peso e o deslocamento estarão no mesmo sentido; caso o corpo esteja subindo o trabalho será resistente, pois a força peso e o deslocamento estarão em sentidos opostos. A força elástica é uma força variável. Quanto maior a deformação de uma mola, por exemplo, maior será à força de restituição (força elástica) que surgirá nela. Portanto para calcular o trabalho da força elástica devemos utilizar a propriedade gráfica (cálculo da área). Veja a dedução matemática para o trabalho da força peso: Como a área de um triângulo é dada por: A = BASE * ALTURA 2 Então W= DEFORMAÇÃO * FORÇA 2 W= K*x*x W=±K*x² 2 2 Força no sentido do deslocamento W>0 Força no sentido oposto ao deslocamento W<0 Fx = F.cos.α α Fx FR Fy DESLOCAMENTO W = FX*X W = FX*X*cosα K.X X0 A DEFORMAÇÃO FORÇA
  4. 4. Procedimento Experimental
  5. 5. Material utilizado Para a realização do experimento foi necessário os seguintes materiais: A. Tripé B. Sapatas niveladoras C. Uma mola helicoidal D. Conjunto de massas acopláveis de 50g E. Gancho lastro F. Perfil universal com escala milimétrica G. Suporte fixo para associação de molas Montagem do equipamento Execute a montagem do aparelho conforme a figura 1; Nivele o aparelho através das sapatas niveladoras [B]; Procedimento (1) Cálculo do trabalho W realizado no gráfico,Força [F] versus deformação[x] no experimento anterior (“Força Elástica – comprovação experimental da lei de Hooke”). Procedimento (2) Coloque o gancho lastro suspenso numa das molas cuja constante elástica já tenha sido determinada, anotando o respectivo valor de K; Anote a posição ocupada pela parte inferior do lastro, este X0 será o nível de referencia para o experimento. Resultados e Discussões Resultado experimental (1) Cálculo do trabalho W realizado no gráfico,Força [F] versus deformação[x] no experimento anterior (“Força Elástica – comprovação experimental da lei de Hooke”). Para calcular o trabalho realizado pelo agente que aplicou a força F do gráfico devemos utilizar a propriedade gráfica (cálculo da área). Utilizando-se da introdução teórica sobre o trabalho na força elástica temos: A = BASE * ALTURA 2 Então W= DEFORMAÇÃO X FORÇA 2 W= K*x*x W=± K*x² 2 2 Como a força aplicada é no sentidodo deslocamento então o W>0,então temos; K = 20 [N] (já calculada) X = 0,10 [M] Dada a equaçãoW=K*x²e substituindo; 2 W=20*(0.10)2 W= 0,1 joule [J] 2 O trabalho W realizado pela força F para deslocar o corpo da posição 0 até a posição final x foi de 0,1 [J]. Resultado experimental (2) Figura 1.Material Utilizado ontagem do experimento X(m) 0,5 1,0 1,5 2,0 0 0,1000,050 0,0750,025 F (N) A [A] onta gem do expe rime nto [B] onta gem do expe rime nto [F] onta gem do expe rime nto [D] onta gem do expe rime nto [E] onta gem do expe rime nto [C] onta gem do expe rime nto [G] onta gem do expe rime nto Gráfico 1. Força x deformação ontagem do experimento
  6. 6. Tomando os valores adquiridos no procedimento (2) então temos: Constante K da mola = 20 [N] Nível de referência X0 = 0,45 [M] Ao adicionarmos uma massa móvel com peso de 0,5 [N] ao lastro obteve-se a elongação (amplitude) = 0,025 [M]. A partir desses valores podemos calcular o trabalho W realizado pela força peso de 0,5 [N] ao distender a mola, através da equação: W = F.x Onde; W = trabalho da força peso [J] F = força peso[N/M] X = deslocamento [M] W=? F=0,5[N]x=0,025[M] W = 0,5 *(0,025) W = 0,0125 [J] A Força peso é aplicada pelo campo gravitacional da terrestre, logo, o trabalho para deslocar a mola também e realizado pelo campo gravitacional terrestre. Para realizar o trabalho houve a necessidade de transitar energia pelo sistema, essa energia veio do campo gravitacional terrestre que se armazenou no corpo suspenso na mola, ou seja, veio da força peso e essa energia denomina-se Energia Potencial Gravitacional, como já visto na introdução teórica e podendo ser calculada através da equação:Epg= m.g.h Onde; Epg = Energia Potencial Gravitacional [J] M = massa [Kg] g = gravidade[M/s²] h = deslocamento (altura) [M] Epg=?m=0,05 [Kg]g = 9.8 [M/s²] h =0,025 [M] Epg= 0,05*9,8*0,025 Epg= 0,01225 [J] Essa energia recebe agora o nome de Energia Potencial Elástica (Epe)dada em Joule [J] Adicionando mais duas massas ao sistema poderemos calculara energia potencial elástica (Epe), armazenada na mola, considerando sua deformação a partir do ponto X0, através da equação:Epe = k*x²/2 Onde; Epe=Energia Potencial Elástica dada em [J]. k= constante elástica da mola dada em [N/M]. x = deformação da mola dada em [M]. Epe = ?k= 20 [N]x= 0,075 [M] Epe = 20*(0,075)²/2 Epe = 0,05625 [J] A energia potencial elástica armazenada na mola pode realizar trabalho a qualquer momento, bastando, para isto, apenas remover o agente externo que a impede (as massas). Desconsiderando a energia potencial elástica armazenada na mola até o momento, adotaremos a nova posição de equilíbrio como X0,1 = 0,075 [M] Puxando as massas suspensas com velocidade constante mantendo-as a 1 cm (0,01 m) abaixo do ponto de equilíbrio X0,1é possível determinar a quantidade de energia necessária (trabalho) para deslocar as massas de X0,1até uma nova posição X0,2 através da equação do trabalho da força elástica Wpe= k*x²/2. Onde; Wpe= Trabalho daForça Elástica dada em [J]. k= Constante elástica da mola dada em [N/M]. x = Deformação da mola dada em [M]. Wpe=? k=20 [N/M]x =0,01 [M] W=20*(0.01)2 2 W=0,001 joule [J] O valor do depósito energético na mola (energia potencial elástica) para deixa-la nessa posição X0,2 a partir de X0,2 é igual ao valor do trabalho calculado acima, pois Wpe=Epe Ao soltar as massas a partir do ponto X0,2 no momento que elas atingirem o ponto X0,1 a energia potencial elástica terá sido totalmente consumida, mas continua a subir, devido a força restauradora (Fel) ocasionando outra forma de energia chamada Energia Cinética (Ec). A energia cinética é uma modalidade de energia que depende de movimento, portanto todo corpo em movimento possui energia cinética. No ponto X0,1 a energia cinética (Ec) atinge seu valor máximo, devido ser o ponto intermediário da trajetória só há a própria
  7. 7. energia cinética, pois a energia potencial elástica foi totalmente consumida. Quando a massa atinge o ponto mais alto da trajetória sua velocidade é zero, e como a energia cinética esta relacionada ao movimento seu valor também será zero. Observou-se que nos extremos da trajetória há duas formas de energia, no extremo inferior quando ela está esticada esta depositada Energia Potencial Elástica (Epe), e no extremo superior o depósito energético é da energia potencial gravitacional (Epg), ambas com valores máximos = 0,001 [J]. Em qualquer ponto da trajetória a soma das energias (Epe) +(Epg) será esse mesmo valor, devido a troca de energia que é feita entre elas. A expressão que relaciona as energias, potencial e cinética é dada como: Emec = Ep + Ec Emec = Energia Mecânica Ep= Energia Potencial Ec = Energia Cinética Conhecida como “Princípio da Conservação de Energia” Matematicamente podemos calcular os valores da energia potencial elástica (Epe), e a da cinética (Ec), do móvel na posição - 4 mm (0,004 m), quando abandonado do ponto X0,2 -10mm (0,01m). Calculando a energia potencial elástica nessa posição x=-4 mm temos; Epe = ?k= 20 [N]x= 0,004 [M] Epe = 20*(0,004)²/2 Epe = 0,00016 [J] Como vimos anteriormente a soma das duas energias (Epe) +(Epg) em qualquer ponto da trajetória é = 0,001 [J], então esse é o valor da energia mecânica (Emec) do sistema. Partindo desse valor poderemos então usar a relação: Emec = Ep + Ec Onde; 0,001 = Epel + Ec 0,001=0,00016+ Ec Ec= 0,001 -0,00016 Ec = 0,00084 [J] Podemos ainda calcular a velocidade do corpo no instante que ocupa pela posição x= -4mm (0,004 m), usando a equação da energia cinéticaEc = ½ * m*v² Onde; Ec =0,00084 [J] M = 0,15 [Kg] V = ? 0,00084 = ½ *0,15*v² V² = 0,00084 / 0,075 V = √0,0112 V = 0,106 [M/s] Conclusão Concluímos que para uma força F qualquer, aplicada a um corpo que, sob a ação desta força F, se desloca em X no gráfico F versusX(deslocamento) representa o trabalho realizado pelo agente que aplicou a força F. Compreendemos que a troca de energia pode ser entre diferentes tipos de energia e corpos, como cinética e potencial em mecânica e entre a mola e o peso. Sendo assim, o cálculo da energia mecânica varia de acordo com o tipo de força que age sobre ela e sua intensidade. Referências Bibliográficas 1. HALLIDAY, D. RESNICK, R. e KRANE, K.S. Física 2. Rio de Janeiro, LTC, 1996. 2. http://www.alunosonline.com.br/fisica/en ergia-potencial-gravitacional-e- elastica.html 3. http://www.coladaweb.com/fisica/mecani ca/energia-cinetica-potencial-e-mecanica
  8. 8. Conclusão Concluímos que a constanteelástica de uma mola pode ser diferente dependendo de como ela é utilizada, sendo em uma associação em série ou em uma associação em paralelo. Os resultados obtidos na pratica e depois calculados utilizando a formula da Lei de Hooke nos mostrou essa diferença utilizando a mesma mola. Referências Bibliográficas 1. HALLIDAY, D. RESNICK, R. e KRANE, K.S. Física 2. Rio de Janeiro, LTC, 1996. http://www.alunosonline.com.br/fisica/energia- potencial-gravitacional-e-elastica.html 2. http://sme.dcm.fct.unl.pt/u/dias/docenci a/FISI/FIS-A-Molas.pdf Tabela 2. Alongamento da mola em função da massa ontagem do experimento

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